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스팬드럴용 투광형 결정계 BIPV창호의 후면단열 조건에 따른 연간 온도 및 발전성능 분석 연구
Annual Base Performance Evaluation on Cell Temperature and Power Generation of c-Si Transparent Spandrel BIPV Module depending on the Backside Insulation Level 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.4, 2012년, pp.24 - 33  

윤종호 (한밭대학교 건축공학과) ,  오명환 (한밭대학교 건축공학과) ,  강기환 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단) ,  이재범 (국립환경과학원 기후변화연구과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, finishing materials at spandrel area, a part of curtain-wall system, are gradually forced to improve thermal insulation performance in order to enhance the building energy efficiency. Also, Building Integrated Photovoltaics(BIPV) systems have been installed in the exterior side of the span...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 단열성능이 높아질수록 PV Cell표면온도 상승과 발전효율이 저하됨을 확인하였고, 본절에서는 이러한 발전효율 저하가 연간 단위 출력당 발전량에 어느 정도 영향을 미치는지에 대한 분석을 수행하였다.
  • 2와 같이 모듈에서 출력되는 전력량도 감소시키는 결과를 나타낸다. 따라서 건물의 열손실을 방지하기 위한 목적으로 후면마감재의 단열성능을 강화된 스팬드럴과 투광형 BIPV 모듈이 조합되면 투과된 태양복사열이 실내외측으로 방출되지 못해 PV Cell 온도 상승과 더불어 발전성능에 악영향을 미칠 것으로 예상된다.
  • 4℃로 나타났으며, 그림에 도식된 바와 같이 EnergyPlus해석모델은 실제 측정값의 온도변화 경향을 매우 잘 모사하고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 오차 결과를 바탕으로 EnergyPlus의 이론적 해석방법을 통해 스팬드럴 부분 단열성능에 따른 BIPV Cell 의 표면온도 및 발전성능 경향을 예측할 수 있을 것으로 판단하고 연구를 진행하였다.
  • 본 연구는 투광형 BIPV가 적용된 스팬드럴부분의 후면마감재 단열수준을 강화가 BIPV Cell의 연간 표면온도 상승과 발전성능에 미치는 영향에 대해 정량적 분석을 수행하였다.
  • 평가가 요구되는 범위는 첫 번째로 후면마감재의 단열수준 강화로 인해 연간 PV의 온도가 어느 정도 상승이 될 것인가에 대한 평가, 두 번째로 이러한 영향으로 발전성능이 감소되는 정도에 대한 평가, 세 번째로 온도 상승이 연간 발전되는 생산량에 미치는 영향에 대한 평가가 포함될 수 있다. 본 연구에서는 위의 세 가지 사항을 후면 마감재의 단열수준에 따라 평가하여 정량적 현상을 규명하는 것에 목적이 있다.
  • 스팬드럴 부분의 단열성능 강화가 PV Cell 의 온도상승에 미치는 영향에 대한 평가를 위해 본 절에서는 앞서 언급한 시뮬레이션 조건하에 구성 된 3가지 단열수준별 후면마감재 조건 별 BIPV Cell의 연간 표면온도 특성에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 표면온도특성은 각 대안별로 연간데이터를 수집한뒤 시간별 표면온도 특성을 Box-plot을 활용하여 통계 분석하였으며 그 결과는 Fig.
  • 앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 스팬드럴 후면마감재의 단열성능 강화가 연간 PV Cell의 표면온도와 발전성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 분석하고자 한다. 연간 시뮬레이션을 위해서는 해석모델의 정확성 및 신뢰성의 검증이 선행되어야 한다.
  • 이와 같은 이론적 배경을 바탕으로 본 연구에서는 투광형 BIPV가 적용된 스팬드럴 부분의 고단열 후면마감재 적용에 인한 Cell 표면온도 및 발전성능에 미치는 영향에 대해 정량적 평가를 수행하였다.

가설 설정

  • 6의 Mock-up 실험시설 스팬드럴 부분과 동일하게 구성하였으며, 활용된 기상데이터는 하절기(8월 16일부터 8월 31일)실측모델에서 측정된 실제 기상데이터(풍향 및 풍속 데이터 제외)를 EnergyPlus프로그램 기상파일인 epw형식으로 변환하여 적용하였다. 단, 스팬드럴 부분 해석모델의 GtoG 타입 BIPV 복층모듈의 경계조건은 외기에 노출된 상태이며, 나머지 부위는 단열경계 조건화하여 열교가 없다고 가정하였다.
  • .또한 유리의 표면을 기준으로 열의 흐름은 수직으로 만 작용하여 1차원으로 유동하는 것으로 가정한다. 일반적으로 유리의 표면의 부위별 온도는 상이하나, 그 차이가 미미함에 따라 EnergyPlus에서는 유리의 표면 전체는 동일한 온도로 해석된다.
  • 여기서 단열재는 남부지역에 기준하여 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙[2]에서 명시하고 있는 외벽의 열관류율을 충족시켰으며 후면마감재의 반사율(태양 및 가시광선)은 0.8로 가정하였다.
  • 여기서, 수식 (1)은 실외측 표면, 수식 (4)는 실내측 표면 Layer의 열평형 방정식을 의미한다. 열평형 방정식 해석 시 조건은 우선, 각 유리의 레이어는 상대적으로 얇기 때문에 열 용량은 무시하고 장파복사에 대해서는 불투명함을 가정한다. .
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스팬드럴 부분의 외피는 어떻게 구성되는가? 경량 유리 커튼월 구조의 외장재를 적용하는 건물에서는 층간 비주거 공간 즉,배선 및 배관,공조기기 등의 설비시설이 위치해 있는 공간의 외피 부분을 스팬드럴이라 일컫는다.스팬드럴 부분의 외피는 상·하단부와의 일체화를 위해 유리와 프레임으로 구성되며,후면에 석고보드나 철판 또는 단열재 등을 설치하여 마감하는 것이 일반적이다.
건축물에서 스팬드럴 부분이란 무엇인가? 건축물에서 스팬드럴(Spandrel)부분이란, 다층구조의 건물에서 임의 층의 창호 상단부에서 상부층의 창호 하단부 까지의 범위로 정의 된다[1].경량 유리 커튼월 구조의 외장재를 적용하는 건물에서는 층간 비주거 공간 즉,배선 및 배관,공조기기 등의 설비시설이 위치해 있는 공간의 외피 부분을 스팬드럴이라 일컫는다.
상대적으로 적은 내부공기량 때문에 일사유입이 스팬드럴의 온도상승에 영향을 미쳐 문제를 야기할 수 있는 이유는 무엇인가? 하지만 단열 성능이 강화된 스팬드럴 부분에 건물일체형 태양광시스템을 적용할 경우 문제가 발생할수 있다.스팬드럴의 구조적인 특성상 유리와 후면마감재 사이의 공간이 생성되는데,이 공간의 공기층은 다른 공간에 비해 체적이 작다. 따라서 상대적으로 적은 내부공기량 때문에 일사유입은 스팬드럴의 온도상승에 상당한 영향을 미쳐 유리의 열파손[3]및 발전성능 저하의 문제를 야기할 수 있다[4].
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참고문헌 (8)

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Spandrel 

  2. 국토해양부, 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙, 2011. 11. 30. 

  3. Jong-ho Yoon, Myung-Hwan Oh, U-Cheol Shin, A Study on the Glazing Surface Temperature and Thermal Shock of BIPV Window Applied to the Spandrel Area of Curtain Wall System in Office Building, Architectural Institute of Korea, 2012. 2 

  4. Jurij Kurnik, Marko Jankovec, Kristijan Brecl, Outdoor testing of PV module temperature and performance under different mounting and operational condition, Solar Energy Materials and Solar Cell, 2011 

  5. Dong-Su Kim, Myung-Hwan Oh, Jong-Ho Yoon, The Evaluation of the Temperature Characteristics at the Spendrels of Curtain wall with a-Si BIPV Window System, Korean Solar Energy Society, Conference 2012 

  6. M. Mattei, G. Notton, Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy balance, Renewable Energy, 2006 

  7. Kyung-Eun, Park, Generation characteristics of BIPV module as spandrel glass according to temperature variation, Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, Conference 2007 

  8. Energy Plus Engineering Reference, LBNL, Oct.2010 

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